DE69905829T2

DE69905829T2 - Lasersystem mit phasenveränderlichem Material zur Temperatursteuerung

Info

Publication number: DE69905829T2
Application number: DE69905829T
Authority: DE
Inventors: Geoffrey O. Heberle
Original assignee: Cutting Edge Optronics Inc
Current assignee: Cutting Edge Optronics Inc
Priority date: 1998-09-11
Filing date: 1999-09-10
Publication date: 2003-08-14
Anticipated expiration: 2019-09-11
Also published as: EP0987799A3; EP0987799A2; US20020018498A1; JP2000091672A; DE69905829D1; US6570895B2; US6307871B1; ATE234522T1; EP0987799B1; IL131838A0; IL131838A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft im Wesentlichen ein Festkörperlasersystem und insbesondere ein Festkörperlasersystem, das passiv gekühlt und thermisch gesteuert wird mittels Wärmesenkenkörper, die ein Phasenänderungsmaterial enthalten.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Festkörperlasersysteme zeichnen sich dadurch aus, dass sie ein Festkörperlaserverstärkungsmedium aufweisen, das Energie von einer optischen Pumpquelle in einen kohärenten Ausgangslaserstrahl umwandelt. Die Pumpquelle kann eine von vielen verfügbaren energieerzeugenden Systemen sein, etwa Blitzlampen oder Halbleiterlaserdioden. Die von der Pumpquelle erzeugte Energie fällt auf das Lasermedium ein und wird von dem Lasermedium absorbiert.
Die absorbierte Energie in dem Lasermedium bewirkt, dass die Atome in dem Lasermedium angeregt werden und in einen höheren Energiezustand versetzt werden. Wenn sich das Lasermedium in dem höheren Zustand befindet, gibt es die eigene Energie ab, die in einen Schwingungszustand mittels der Anwendung eines Laserresonators gebracht wird. Der Laserresonator umfasst mindestens zwei reflektierende Oberflächen, wovon jeweils eine an einer Seite des Ladermediums angebracht ist. Der Laserresonator kann so gestaltet sein, um kontinuierlich einen Laserstrahl aus dem System abzugeben. Alternativ kann der Resonator so gestaltet sein, dass wenn die durch das Lasermedium oszillierende Energie einen vorbestimmten Pegel erreicht, diese von dem System als ein Hochleistungslaserstrahl mit kurzer Dauer freigegeben wird. Das von dem Festkörperlasersystem erzeugte ausgesandte Licht ist im Wesentlichen kohärent und verlässt das System in einem vordefinierten Bereich.
In vielen Systemen ist das Lasermedium ein Neodym-dotierter Yttrium-Aluminiumkristall (Nd:YAG). Ein aus einem Nd:YAG hergestelltes Lasermedium absorbiert optische Energie höchst wirksam, wenn die Energie bei einer Wellenlänge von ungefähr 808 Nanometer (nm) liegt. Somit sollte die Quelle zum Pumpen des Nd:YAG - Lasermediums Lichtenergie bei ungefähr 808 nm aussenden. Galliumarsenid-Halbleiterlaserdioden können mit Dotierstoffen (z. B. Aluminium) hergestellt werden, die bewirken, dass das ausgesandte Licht eine Reihe von Wellenlängen einschließlich 808 nm aufweist. Somit dienen die Halbleiterlaserdioden, die selbst Laser sind, als die Pumpquelle für das Lasermedium.
Die Umwandlung von optischer Energie in kohärente optische Strahlung wird von der Erzeugung von Wärme begleitet, die aus dem Gerät abgeführt werden muss. Das Kühlen des Lasermediums reduziert das Entstehen von Temperaturgradienten und damit Verformungen und Spannungen in dem Lasermedium und hilft ferner das Vermeiden der Wahrscheinlichkeit eines Brechens des Lasermediums auf Grund der großen thermoelastischen Spannungen. Des weiteren können Änderungen des Brechungsindex und die damit verknüpften optischen Verzerrungen größtenteils gesteuert oder vermieden werden, indem wirksam gekühlt wird. Die Folge davon ist ein verbesserte Strahlqualität und/oder eine erhöhte durchschnittliche Ausgangsleistung.
Das Leistungsverhalten eines Diodenarrays hängt ebenso stark von der Temperatur ab. Es ist nicht nur die Ausgangsleistung eine Funktion der Temperatur, sondern auch die Wellenlänge der ausgesandten Energie, die von dem Lasermedium absorbiert wird, eine Funktion der Diodentemperatur. Um ein gewünschtes Leistungsverhalten des Arrays aufrecht zu erhalten und um eine Zerstörung durch Überhitzung des Diodenarrays zu vermeiden, ist ein Kühlen der das Array umgebenden Gebiets ebenso wichtig.
Andere Laseranordnungskomponenten, wovon einige leicht beschädigt werden können, erfordern ebenso eine strikte Temperatursteuerung. Beispielsweise erzeugen Strahlabsorptionsbereiche Wärme, die einfallende Laserenergie absorbieren und abführen, um sicher zu stellen, dass die einfallende Laserenergie nicht mit gewünschten Teilen des Strahles interferiert. Nicht lineare Kristallanordnungen für das Ändern von Wellenlängen in einem Lasersystem verwenden Temperatursteuerungssysteme für die präzise Steuerung dieser temperaturempfindlichen Kristalle. Große Sorgfalt muss für den optimalen Transfer von Wärme von akustisch optischen Q-Schaltern aufgewendet werden.
Es ist eine Aufgabe für Laserhersteller, Festkörpersysteme mit hoher Leistung zu entwickeln. Da die Ausgangsleistung in diesen Systemen groß ist, steigt die Abwärme ständig an, die hohe Anforderungen an Kühlsysteme stellt und ein größeres Volumen erfordert, um eine ausreichende Kühlung bereitzustellen. Somit ist die wirksame und effiziente Abführung von Abwärme aus Diodenarrays, dem Lasermedium und andere wärmeerzeugenden Komponenten ein wichtiger Faktor bei der Entwicklung kompakter Hochleistungslasersysteme.
Bekannte Lasersysteme wenden eine aktive Kühlung an. Aktive Kühlsysteme können thermoelektrische Kühler oder Fluidsysteme mit mechanischen Pumpen und einem Kühlmittel enthaltenden Leitungssystem, das unter Druck betrieben wird, verwenden. Aktive Kühlsysteme verbrauchen jedoch zusätzlich Leistung, um die Temperatur des Lasers zu steuern und erfordern zusätzlichen Raum in dem Lasersystem. Ferner erfordern aktive Kühlsysteme Rückkopplungssteuerungssysteme, um das Maß an Kühlung einzustellen, das notwendig ist, um die Laserkomponenten auf der geeigneten Temperatur zu halten.

ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG

Um die zuvor genannten Probleme zu lösen, stellt die vorliegende Erfindung eine passiv gekühlte Laseranordnung nach Anspruch 1 bereit.
Die vorliegende Erfindung ist ein passiv gekühltes, Dioden-gepumptes Festkörperlasersystem, das einen Hochleistungslaserstrahl erzeugt. Das System umfasst mindestens ein Diodenarray, das optische Energie erzeugt, die von einem Festkörperlasermedium absorbiert wird. Das Festkörpermedium besitzt eine äußere Fläche, in die optische Energie von dem Diodenarray eingestrahlt wird.
Das Lasersystem umfasst ferner zwei gegenüberliegende reflektierende Oberflächen, die im Wesentlichen entlang einer Mittelachse des Lasermediums optisch ausgerichtet sind, wobei das Lasermedium dazwischen angeordnet ist. Eine der beiden gegenüberliegenden reflektierenden Oberflächen ist ein Auskopplungsspiegel zum Reflektieren eines Teils der von dem Lasermedium erzeugten Energie, um eine Laserschwingung bereitzustellen und um ferner den Hochleistungslaserstrahl durchzulassen.
Zur Bereitstellung der passiven Kühlung des Lasermediums enthält eine Lasermediumwärmesenkenanordnung eine im Wesentlichen feste Form eines Phasenänderungsmaterials, das thermisch mit dem Lasermedium in Verbindung steht. Die feste Form des Phasenänderungsmaterials ändert sich in eine flüssige Form des Phasenänderungsmaterials, wenn Wärme aus dem Lasermedium in die Lasermediumwärmesenkenanordnung übertragen wird.
Um die Wärme aus dem Diodenarray aufzunehmen, umfasst eine Diodenarraywärmesenkenanordnung eine im Wesentlichen feste Form eines Phasenänderungsmaterials, das mit dem Diodenarray in thermischer Verbindung steht. Die feste Form des Phasenänderungsmaterials ändert sich in eine flüssige Form des Phasenänderungsmaterials, wenn Wärme aus dem Diodenarray in die Diodenarraywärmesenkenanordnung übertragen wird.
Obwohl das Lasersystem nicht unbegrenzt mit lediglich passiver Kühlung betrieben werden kann, kann das passive Kühlen die notwendige Kühlleistung für ein Lasersystem für einige Minuten bereitstellen. Ein derartiges System kann in vielen Anwendungen, etwa dem Führungssystem für eine Rakete, nützlich sein. Zu Vorteilen, die durch die passive Kühlung erreicht werden, gehören größere Kompaktheit, Tragbarkeit, geringeres Gewicht und Schwingungsfreiheit für Lasersysteme. Ferner kann ein Lasersystem mit einer effizienteren passiven Kühlung den verstärkten Wärmetransfer, der mit einem leistungsfähigeren Laser verknüpft ist, besser aufnehmen.
Ferner liefert das Verwenden eines Phasenänderungsmaterials in Kombination mit dem Wärmetauscher mit einem Arbeitsmedium, das diesen durchströmt, eine Temperatursteuerung der Laserkomponenten zusätzlich zu den Wärmeabsorptionseigenschaften. Die thermische Steuerung wird durch die latente Wärme, die mit dem Phasenänderungsmaterial verknüpft ist, bereitgestellt. Ein Material in seiner festen Phase absorbiert ständig Energie und verbleibt bei einer konstanten Temperatur (der Schmelzpunkttemperatur), bis eine spezifizierte Energiemenge absorbiert ist, wodurch der Übergang von der festen in die flüssigen Phase abgeschlossen ist. Ferner wird eine Grenzfläche, die engem Kontakt mit dem Phasenänderungsmaterial, das diesen Übergang vollführt, gehalten wird, bei einer nahezu konstanten Temperatur gehalten, bis der Übergang von der festen in die flüssige Phase abgeschlossen ist.
Um eine kontinuierlichere Betriebsweise des Lasersystems unter Anwendung des Phasenänderungsmaterials bereitzustellen, wird die Wärmesenkenanordnung mit dem Phasenänderungsmaterial in thermische Verbindung mit einem Wärmetauscher, der ein Arbeitsfluid enthält, gebracht. Die flüssige Form des Phasenänderungsmaterials ändert sich in eine flüssige Form, wenn Wärme von der Wärmesenkenanordnung zu dem Wärmetauscher übertragen wird. Der Wärmetauscher kann ferner in umgekehrter Richtung betrieben werden (d. h. Wanne von dem Arbeitsmedium oder einem Heizer zu dem Phasenänderungsmaterial übertragen), um das Phasenänderungsmaterial zu verflüssigen und um damit temperaturempfindliche Komponenten bei einer optimalen Betriebstemperatur zu halten.
Die Wärmesenkenanordnung mit dem Phasenänderungsmaterial stellt einen Wärmepuffer für Laserkomponenten bereit, wenn die letzte Wärmesenke in der Kette, etwa die Umgebungsluft, Temperaturschwankungen unterliegt. Der Wärmepuffer entspringt der latenten Wärme des Übergangs des Phasenänderungsmaterials, wenn dieses einer Phasenänderung unterliegt. Die Temperatur der Laserkomponente bleibt im Wesentlichen konstant, da die Energie, die mit der Änderung der Umgebungstemperatur einhergeht, in dem Phasenänderungsmaterial absorbiert wird, bevor sie an die Laserkomponente weitergegeben wird. Die durch das Phasenänderungsmaterial bereitgestellte Temperatursteuerung vermeidet die Notwendigkeit für eine elektronische Wärmesteuerungsschleife.
Weitere thermische Steuerungsqualitäten werden mittels einer weiteren Ausführungsform bereitgestellt, in der eine Wärmesenkenanordnung mit einem Phasenänderungsmaterial in thermischen Kontakt mit einem thermoelektrischen Kühler angeordnet wird. Mit dem thermoelektrischen Kühler, der zwischen der temperaturempfindlichen Komponente und der Wärmesenke angeordnet ist, wird Wärme von der Komponente über den thermoelektrischen Kühler in die Wärmesenke übertragen. Mit der Wärmesenkenanordnung, die zwischen der temperaturempfindlichen Komponente und dem thermoelektrischen Kühler angeordnet ist, wird das Phasenänderungsmaterial an seinem Schmelzpunkt gehalten, wenn Wärme von dem Phasenänderungsmaterial mittels des thermoelektrischen Kühlers abgeführt wird. Ferner kann der thermoelektrische Kühler so betrieben werden, um Wärme von der Wärmesenkenanordnung abzuführen, wenn gewünscht wird, die Temperatur einer beliebigen Systemkomponente zu erhöhen.
In einer weiteren Ausführungsform enthält die Wärmesenke mehr als eine Art eines Phasenänderungsmaterials, wobei jedes eine unterschiedliche Schmelztemperatur aufweist. In dieser Ausführungsform kann der Wärmegradient entsprechend abgestimmt werden, indem beispielsweise Phasenänderungsmaterial mit einer höheren Schmelztemperatur in Hohlräumen angeordnet wird, die näher an der temperaturempfindlichen Komponente liegen, im Vergleich zu Hohlräumen, die mit einem Phasenänderungsmaterial mit einer kleineren Schmelztemperatur gefüllt sind.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung gehen beim Studium der folgenden detaillierten Beschreibung hervor, wenn Bezug genommen wird zu den Zeichnungen; es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Festkörperlasersystems der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine Seitenaufrissansicht in Querschnitt entlang der Linie 2-2 aus Fig. 1 des erfindungsgemäßen Festkörperlasersystems;
Fig. 3 eine Draufsicht des erfindungsgemäßen Festkörperlasersystems;
Fig. 4 eine Aufrissansicht der Lasermediumswärmesenkenanordnung, der Diodenarrayanordnung, des. Lasermediums und der Diodenarraywärmesenkenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5 eine Aufrissansicht der erfindungsgemäßen Lasermediumswärmesenkenanordnung und des Lasermediums;
Fig. 6 eine vordere Querschnittsansicht entlang der Linie 6-6 aus Fig. 4 der Lasermediumswärmesenkenanordnung und des Lasermediums;
Fig. 7 eine Frontquerschnittsansicht entlang der Linie 7-7 aus Fig. 4, die die Lasermediumswärmesenkenanordnung, das Lasermedium, das Diodenarray und die Diodenarraywärmesenkenanordnung zeigt;
Fig. 8 ein Diagramm der Ausgangsleistung des Lasersystems im Verhältnis zur Zeit, wenn dieses bei einem Eingangstrom von 45 A, einer Wiederholungsrate von 500 Hz und einer Pulsbreite vom 200 usek. betrieben wird;
Fig. 9 ein Diagramm der Ausgangsleistungswellenlänge gegenüber der Zeit für Testläufe mit Spitzeneingangsströmen von 45, 50, 55 und 60 A;
Fig. 10 eine Querschnittsansicht der Wärmesenkenanordnung, des Wärmetauschers und des Laserdiodenarrays;
Fig. 11 eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform, die die Wärmesenkenanordnung, den Wärmetauscher und das Laserdiodenarray zeigt;
Fig. 12 eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform, die die Wärmesenkenanordnung, den Wärmetauscher und das Laserdiodenarray zeigt;
Fig. 13 eine Seitenansicht, die teilweise schematisch das Diodenarray und das Lasermedium in thermischer Verbindung mit Zweistufen-Temperatursteuerungssystemen zeigt;
Fig. 14 eine Querschnittsansicht des Laserdiodenarrays, der Wärmesenkenanordnung, des thermoelektrischen Kühlelements und des aktiv gekühlten Wärmetauschers;
Fig. 15 eine Querschnittsansicht des Laserdiodenarrays, des thermoelektrischen Kühlelements und der Wärmesenkenanordnung;
Fig. 16 eine Querschnittsansicht einer wärmeerzeugenden Komponente, der Wärmesenkenanordnung, eines Heizers, und dem Boden der Anordnung der optischen Bank; und
Fig. 17 eine Querschnittsansicht des Laserdiodenarrays und der Wärmesenkenanordnung mit mehreren Arten an Phasenänderungsmaterialien.
Obwohl die Erfindung diversen Modifikationen und alternativen Formen unterliegen kann, wird eine spezielle Ausführungsform davon beispielhaft in den Zeichnungen dargestellt und hierin detaillierter beschrieben. Es sollte jedoch selbstverständlich sein, dass nicht beabsichtigt ist, die Erfindung auf die speziellen offenbarten Formen einzuschränken. Die Erfindung soll ganz im Gegenteil alle Modifikationen, Äquivalente und Alternative, die im Bereich der Erfindung liegen, wie sie durch die angefügten Patentansprüche definiert ist, abdecken.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Mit Bezug zu Fig. 1 und Fig. 2 wird ein Festkörperlasersystem 10 zur Erzeugung eines Hochleistungslaserstrahls 11 dargestellt. Das Lasersystem 10 umfasst eine Anordnung mit einer optischen Bank 12 bzw. einem optischen Aufbau, die die Montagestruktur für diverse optische Komponenten bildet, und eine Laserkopfanordnung 14, die den Hochleistungslaserstrahl 11 erzeugt.
Die Anordnung der optischen Bank 12 umfasst die optischen Komponenten (die im Folgenden erläutert werden) und eine Gehäuseeinheit 16. Die Gehäuseeinheit 16 ist ein rechteckiger Block aus Material (z. B. Messing), dessen mittlerer Bereich entfernt ist. Die Gehäuseeinheit 16 umfasst einen Boden 18, ein erstes Endstück 20, ein zweites Endstück 22, eine erste Seitenwand 24, eine zweite Seitenwand 26 und eine Unterseitenabdeckung 28. Montageelemente 30 sind in integraler Weise in der Gehäuseeinheit 16 ausgebildet, um das Lasersystem 10 in einer größeren Anordnung zu befestigen.
Insbesondere gemäß Fig. 2 umfasst das erste Endstück 20 ein Strahlausgangsfenster 32 zum Auskoppeln des Laserstrahls 11. Das zweite Endstück 22 umfasst ein Justierfenster 38, das auf der Achse des Laserstrahls 11 zentriert ist. Das Justierfenster 38 wird von einem entfernbaren undurchsichtigen Pfropfen bedeckt. Wenn der Pfropfen entfernt ist, wird ein Laserstrahl geringer Leistung, der für das Auge nicht schädlich ist, (z. B. ein He-Ne- Laser) von einer externen Quelle durch das Fenster 38 gesendet, um zu bestimmen, wo die genaue Quelle des Laserstrahls 11 sein wird, wenn das Lasersystem 10 in Betrieb ist. Somit muss der Bediener des Lasersystems 10 nicht den Strahl mit den optischen Komponenten ausrichten.
Um eine elektrische Verbindung an dem Lasersystem 10 bereitzustellen, umfasst die erste Seitenwand 24 einen elektrischen Anschluss, der Zugang für Drähte schafft, die die elektrische Energie zu dem Lasersystem 10 führen. Drähte verlaufen einfach von den inneren Komponenten innerhalb des Gehäuses 16 zu einer Steckeranordnung 40, die in dem Anschluss vorgesehen ist. Eine externe elektrische Ansteuerung und ein Steuerungssystem werden dann mit der Steckerverbindung 40 verbunden.
Wie in Fig. 2 am besten zu erkennen ist, besitzt der Boden 18 der Gehäuseeinheit 16 diverse Bohrungen 42 zum Montieren diverser Komponenten. Einige dieser Bohrungen 42 können ein Gewinde aufweisen, während andere einfach als Durchgangsöffnungen zum Aufnehmen von Befestigungselementen von der Unterseite der Anordnung der optischen Bank 12 dienen, die in verschraubter Weise in Bohrungen an den optischen Komponenten eingreifen.
Fig. 1, 2 und 3 zeigen ferner die optischen Komponenten, die in einem bevorzugten Betriebssystem verwendet sind und die einen gepulsten Betriebsmodus bereitstellen. Zu diesen Komponenten gehören eine Ausgangskopplungs(OC)spiegelanordnung 44, ein Polarisationswürfel 48, ein elektrooptischer Q-Schalter 50, eine Wellenplatte 53, ein Risley- Prismenpaar 54 und eine hochreflektierende(HR) Spiegelanordnung 56. Des weiteren ist eine Aperturanordnung 36 benachbart zu der OC-Spiegelanordnung 44 positioniert. Wenn daher die Laserkopfanordnung 14 die elektrische Energie in optische Energie umwandelt, wirken diese optischen Komponenten auf diese optische Energie ein, um den endgültigen Laserstrahl 11 zu erzeugen.
Mit Blick auf Fig. 2 enthält die Laserkopfanordnung 14 ein Lasermedium 58, eine Lasermediumswärmesenkenanordnung 60, Laserdiodenarrays 62 und eine Diodenarraywärmesenkenanordnung 64. Das Lasermedium 58 ist zwischen der Lasermediumwärmesenkenanordnung 60 und den Diodenarrays 62, die benachbart zu der Diodenarraywärmesenkenanordnung 64 liegen, angeordnet. Während des Betriebs emittieren die Diodenarrays 62 Energie mit einer ersten Wellenlänge, die von dem Lasermedium 58 absorbiert und in eine Energie mit einer zweiten Wellenlänge umgewandelt wird, woraus der Laserstrahl 11 entsteht.
Jedes Laserdiodenarray 62 umfasst mehrere Laserdiodenbalken, die elektrische Energie in optische Energie umwandeln. In Fig. 4 sind 6 Diodenarrays 62 gezeigt. Um die thermische Effizienz des. Gesamtsystems zu verbessern, ist jedes Laserdiodenarray 62 an die Diodenarraywärmesenke 64 angelötet. Die Laserdiodenarrays 62 sind typischer Weise so ausgebildet, dass sie ein elektrisch nicht leitfähiges Untersubstrat (z. B. Beryllium-Oxid) aufweisen, wie dies beispielsweise im US-Paten 5,128,951 von Karpinski gezeigt ist. Die Laserdiodenarrayss 62 sind elektrisch miteinander in Reihe geschaltet. Folglich gibt es eine einzelne elektrische Eingangsleitung, die mit einem Eingangskontakt (Lötpfad) 66 verbunden ist und eine einzelne elektrische Ausgangsleitung, die mit einem Ausgangskontakt (Lötpfad) 68 für alle Laserdiodenarrays 62 verbunden ist.
Wie zuvor erläutert ist, wird die optische Energie von den Laserdiodenarrays 62 durch das Lasermedium 58 absorbiert. Die Höhe der Absorption durch das Lasermedium 58 bei einer gegebenen Wellenlänge hängt von diversen Faktoren, etwa von der Art der Dotierstoffe, die in dem Lasermedium 58 vorgesehen sind, der Konzentration der Dotierstoffe und der Temperatur, bei der das Lasermedium 58 betrieben wird, ab.
In einer bevorzugten Ausführungsform tritt die Spitzenabsorption bei ungefähr 808 nm auf, wenn das Lasermedium 58 aus Neodyn(3+) dotiertem Yttrium-Aluminiumkristall (Nd:YAG) hergestellt ist. Es können auch andere Lasermedien, etwa Nd:YLF verwendet werden. Wenn die Laserdioden aus den Laserdiodenarrays 62 aus Galliumarsenid mit Aluminium als Dotierstoff (AlGaAs) hergestellt sind, emittieren diese Strahlung bei ungefähr 808 nm, die mit dem maximalen Absorptionsspektrum für das Nd:YAG-Material übereinstimmt. Wenn die Lasermediumswärmesenke 60 bei ungefähr 30 bis 40ºC liegt, absorbiert das Nd: YAG-Lasermedium, wenn dieses im direkten Kontakt mit der Lasermediumswärmesenke 60 ist, die 808 nm energieeffizient. Wenn ein Nd:YAG-Lasermedium Energie bei 808 nm absorbiert, gibt es Energie bei einer Wellenlänge von ungefähr 1064 nm frei, die zu dem Laserstrahl 11 führt.
Es sei immer noch auf die Fig. 1 bis 3 verwiesen; um eine Laserschwingung zu erzeugen, ist eine reflektierende Oberfläche außerhalb jedes Endes des Lasermediums 58 positioniert, um zu bewirken, dass Energie kontinuierlich durch das Lasermedium 58 geschickt wird. An einem Ende ist die HR-Spiegelanordnung 56 benachbart zu dem zweiten Endstück 22, der optischen Bank 12 positioniert und mit dieser durch Befestigungselemente verbunden. Die HR-Spiegelanordnung 56 umfasst einen hochreflektierenden (HR) Spiegel 74 mit einer vorderen Fläche, die einen Reflektivitätswert von mindestens ungefähr 99% aufweist, wenn die Wellenlänge 1064 nm beträgt. Ferner lässt der Spiegel 74 Energie bei anderen Wellenlängen, etwa eines Justierstrahls, der durch das Justierfenster 38 durch den HR- Spiegel 60 in anderen optischen Komponenten eingestrahlt wird, durch.
An dem anderen Ende ist eine Ausgangskopplungs(OC)spiegelanordnung 44 benachbart zu dem ersten Endstück 20 der optischen Bank 12 positioniert und mit dieser mittels Befes tigungselementen verbunden. Der OC-Spiegel 78 besitzt eine teilweise reflektierende Beschichtung auf seiner Oberfläche, so dass ein vorbestimmter Betrag an Energie durchgelassen und über das Strahlaustrittsfenster 32 als der Laserstrahl 11 freigesetzt wird. Die verbleibende Energie wird zu den optischen Komponenten zurückreflektiert. Die Reflektivität des OC-Spiegels 78 bestimmt die Gesamtausgangsleistung in dem Laserstrahl 11. Ferner muss die Reflektivität ausreichend hoch sein, um eine Oszillation in dem Lasermedium 58 zu erzeugen. Der OC-Spiegel 78 kann eine Reflektivität aufweisen, die von ungefähr 5% bis ungefähr 94% reicht (d. h. ungefähr 95% bis 6% werden als Laserstrahl 11 durchgelassen), wobei der optimale Wert von der jeweiligen Anwendung abhängt. In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Reflektivität des OC-Spiegels 78 ungefähr 90% für ein Lasersystem 10, das in einem CW-Modus betrieben wird. Für ein Lasersystem, das in einem gepulsten Modus arbeitet, beträgt die Reflektivität des OC-Spiegels 153 ungefähr 70%. Ein OC-Spiegel mit einer Reflektivität von ungefähr 80% könnte in beiden Betriebsmodie verwendet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Polarisationswürfel 48 benachbart zu der Laserkopfanordnung 14 positioniert und ist drehbar an dem Boden 18 der optischen Bank 12 montiert. Der Würfel 48 enthält zwei verbundene Prismen mit abwechselnden Schichten aus Material mit einem hohen und einem niedrigen Brechungsindex, um eine Polarisationsaufteilung des Laserstrahls 11 zu bewirken.
Wenn das Lasersystem 10 einen gepulsten Ausgangsstrahl liefern soll, ist der elektrooptische Q-Schalter 50 zwischen dem Polarisationswürfel 48 und der Wellenplatte 52, die zu der Mittelachse des Lasermediums 58 ausgerichtet und an dem Boden 18 der optischen Bank 12 mil Befestigungselementen montiert sind, angeordnet. Wenn der Q-Schalter 50 "öffnet", um eine optische Transmission zu ermöglichen, kann die Energie zwischen den beiden reflektierenden Oberflächen so schwingen, dass ein kurzer hochenergetischer Puls das System 10 verlässt. Es sollte beachtet werden, dass der Q-Schalter 50 auf jeder Seite des Lasermediums 58 angeordnet werden kann und das andere Arten von Q-Schaltern, etwa ein akustisch-optischer Q-Schalter oder ein passiver Q-Schalter, verwendet werden kann.
Eine weitere Steuerung des Laserstrahls 11 wird durch die Wellenplatte 52 und das Risley- Prismenpaar 54 erreicht. Die Wellenplatte 52 ist zwischen dem Q-Schalter 50 und dem Ris ley-Prismenpaar 54 positioniert und ist mit der optischen Bank 12 mit Befestigungselementen verbunden. Das Risley-Prismenpaar 54 ist zwischen der Wellenplatte 52 und der HR- Spiegelanordnung 56 angeordnet und umfasst zwei Prismen 80, die an dem Boden 18 der optischen Bank 12 drehbar befestigt sind. Das Risley-Prismenpaar 54 wird verwendet, um im Wesentlichen einen Strahl aus Wellenenergie linear abzulenken. Die Prismen 80 können gedreht werden, um ein maximales Schwingen der Strahlenergie entlang der Mittelachse des Lasermediums 58 zu bewirken. Die Wellenplatte dreht den Polarisationszustand des Laserstrahls 11, um einen korrekten Betrieb des Q-Schalters zu ermöglichen.
Das Lasersystem 10 kann eine spezielle innere Umgebungsbedingungen für einen optimalen Betrieb erfordern. Beispielsweise kann eine Abdeckung vollständig das System 10 umschließen und abdichten, so dass dieses dann mit trocknem Stickstoff gefüllt werden könnte, wenn es einfaches Ventil an der äußeren Oberfläche aufweist. Alternativ könnte der letzte Schritt beim Zusammenbauen in einer Atmosphäre mit geringer Feuchtigkeit ausgeführt werden. In einer noch weiteren Alternative kann das Lasersystem 10 ein Trockenmittel in dem Gehäuse 14 aufweisen, das die Feuchtigkeit absorbiert, sobald die Abdeckung nicht angebracht ist.
Um ein passives Kühlen zu ermöglichen, werden die Laserdioden 63 und das Lasermedium 58 wärmemäßig an die unverwechselbaren Wärmetauscherphasenänderungsmaterialien angekoppelt. Diese Komponenten sind in den Fig. 4 bis 7 dargestellt und werden nunmehr beschrieben.
Fig. 4 bis 7 zeigen in Aufriss- und Querschnittsansichten die Lasermediumswärmesenkenanordnung 60, die Diodenarraywärmesenkenanordnung 64 und das Lasermedium 58. Die Lasermediumswärmesenkenanordnung 60 umfasst einen Lasermediumswärmetauscher 84 mit einer Grundplatte 86 mit mehreren Lamellen 88 und einem Gehäuse 90 zum Umschließen des Wärmetauschers 84. Der Lasermediumswärmetauscher 84 kann aus einem äußerst leitfähigen und vorzugsweise leichtem Material hergestellt sein, einschließlich von Metallen, Metallverbindungen, und hochleitfähigen Nichtmetallen.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Lamellen 88 im Wesentlichen von rechteckiger Form und erstrecken sich entlang der Länge des Lasermediums 58 und sind parallel zueinander angeordnet, um Zwischenräume 126 zu bilden. Die Lamellen 88 können eine Vielzahl von Formen aufweisen und sind nicht auf die im Wesentlichen rechteckigen Lamellen 88 beschränkt, die in Fig. 5 gezeigt sind. Zu anderen Variationen, die wärmeleitende ausgedehnte Oberflächen erzeugen, gehören Röhrenlamellen, stachelartige Erhebungen, Rillen, Plattenlamellen mit anderen Formen, Plattenprallflächenaufbauten, innere Lamellen- Röhren-Strukturen und eine Hülle- und Röhren-Struktur. Obwohl die Lamellen 88 aus Kupfer hergestellt sind und als parallel dargestellt sind, können sie aus einem beliebigen hochleitenden Metall oder Nichtmetall hergestellt sein und eine radiale Struktur aufweisen, wie dies mit Bezug zu der Laserdiodenarraywärmesenke 64 gezeigt ist.
Das Gehäuse 90 umfasst einen Körper 92 und eine Abdeckung 94. Der Körper 92 wird durch maschinelles Bearbeiten eines im Wesentlichen rechteckigen Materialblocks (beispielsweise Messing oder Kupfer) gebildet, um den mittleren Bereich zu entfernen, wodurch im Wesentlichen ein rechteckiger Rand mit einer ersten Seitenwand 96, einer zweiten Seitenwand 98, einer ersten Endwand 100 und einer zweiten Endwand 102 verbleibt. Die inneren Oberflächen der Wände 96, 98, 100, 102 sind relativ glatt. Der Körper 92 besitzt eine in integraler Weise ausgebildete obere Lippe 104 an dem oberen Bereich der Wände 96, 98, 100, 102, und eine unter Lippe 106 an dem unteren Bereichen der Wände 96, 98, 100, 102. Die obere und die untere Lippe 104, 106 erstrecken sich von den Wänden 96, 98, 100, 102 nach außen und sind untereinander durch in integraler Weise ausgebildete Säulen 108 mit Bohrungen 110, die darin zur Aufnahme von Befestigungselementen gebildet sind, verbunden. Das Gehäuse 90 kann aus anderen Materialien als Kupfer oder Messing und vorzugsweise aus Materialien, die nicht korrodierend und leicht sind, hergestellt sein.
Mehrere Öffnungen 112 sind in der oberen Lippe 104 so gebildet, dass sie in der Position mit mehreren Öffnungen 114, die in der unteren Lippe 106 gebildet sind, übereinstimmen. Die Öffnungen 112 und 114 sind ebenso zu den Öffnungen 116 in der Grundplatte 86 des Lasermediumswärmetauschers 84 ausgerichtet. Der untere Teil des Körpers 92 besitzt einen in integraler Weise ausgebildeten Kanal 118 (Fig. 6) zum Aufnehmen eines O-Rings 120, um ein Leck zu vermeiden. Der Körper 92 ist an der Grundplatte 86 des Lasermediumwärmetauschers 84 mit Befestigungselementen, die durch die Öffnungen 114 in der unteren Lippe 106 und den Öffnungen 116 in der Grundplatte 86, die den O-Ring 120 zwischen der Grundplatte 86 und dem Körper 92 einschließt, durchgeführt sind, befestigt. Der obere Teil des Körpers 92 besitzt einen ähnlichen Kanal zum Aufnehmen eines O-Rings.
Wenn der Körper 92 auf der Grundplatte 86 des Wärmetauschers 84 befestigt ist, wird Phasenänderungsmaterial (PCM) 122 in eine Kammer 124, die durch die inneren Oberflächen der Wände 96. 98,100,102 des Körpers 92 definiert ist, und die Zwischenräume 126 der Lamellen 88 eingeführt. Die Abdeckung 94 wird dann der Anordnung hinzugefügt, die im Wesentlichen eine rechteckige Platte mit Öffnungen 128 ist, die mit den Öffnungen 112 der untere Lippe 104 zur Aufnahme von Befestigungselementen ausgerichtet sind. Die Abdeckung 94 dichtet die Kammer 124 ab. In alternativen Ausführungsform kann das Gehäuse 90 einen einstückigen Körper bilden.
Wie in Fig. 4 gezeigt ist, sind sechs Diodenarrays 62 benachbart zu einer unteren Fläche 70 des Lasermediums 58 angeordnet. Die untere Fläche 70, an der die Energie aus den Laserdiodenarrays 62 in die Oberfläche des Lasermediums 58 eintritt, wird von einer Beschichtung bedeckt, die einen Eintritt der Strahlung mit 808 nm ermöglicht, die aber im Inneren für eine Strahlung 1064 nm reflektierend ist. Eine obere Fläche 72 des Lasermediums ist mit einer Beschichtung bedeckt, die für Strahlung bei 1064 nm und die Strahlung bei 808 nm reflektierend ist. Ein Beispiel einer derartigen Beschichtung ist eine Beschichtung mit 200 nm (2000 Angstroms) Silber, das auf dem Lasermedium 58 mittels eines Vakuumverdampfungsprozesses abgeschieden wird. Somit tritt optisch die Energie von den Diodenarrays 62 in das Lasermedium 58 an der unteren Fläche 70, läuft durch das Lasermedium 58, wird an der inneren reflektierenden Beschichtung an der oberen Fläche 72 reflektiert und wird durch das Lasermedium 58 hindurchgeleitet. Dieser Weg ist ausreichend lang, so dass das Lasermedium 58 den Hauptteil der Energie aus den Laserdiodenarrays 62 absorbieren kann. Wärme, die in dem Lasermedium 58 erzeugt wird, wird in den Lasermediumwärmetauscher 84 geleitet.
Um Wärme aus dem Lasermedium 58 wirksam zu der Lasermediumswärmesenkenanordnung 60 zu leiten, ist das Lasermedium 58 vorzugsweise an der Grundplatte 86 mittels eines hochleitenden Materials befestigt. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Lasermedium 58 direkt an der Lasermediumswärmesenkenanordnung 60 mittels eines thermischen leitenden Klebemittels, etwa eines thermisch leitenden Raumtemperaturvulkanisierungsepoxy (RTV) angebracht.
In Fig. 7 und insbesondere in Fig. 4 sind Querschnittsansichten und Aufrissansichten der Laserkopfanordnung gezeigt. Die Diodenarraywärmesenke 64 umfasst einen Diodenarray- Wärmetauscher 120 mit einer Grundplatte 132 mit mehreren Lamellen 134 und ein Gehäuse 136 zum Umschließen des Wärmetauschers 120. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Lamellen 124 verzweigt und erstrecken sich radial von der Grundplatte 132 entlang der Länge des Lasermediums 58. Die vergrößerten Oberflächen können diverse Formen aufweisen und sind nicht auf die radial verzweigten Lamellen beschränkt, die in Fig. 4 gezeigt sind. Zu anderen Variationen gehören Röhrenlamellen, stachelartige Erhebungen, Rillen, Plattenlamellen anderer Formen. Plattenprallblechstrukturen, innere Lamellen- Röhren-Strukturen und Hüllen- und Röhren-Strukturen.
Das Gehäuse 136 umfasst einen Körper 138 mit einer halbzylindrischen Oberfläche 140, eine erste Endwand 142, eine zweite Endwand 144 und eine Eintrittsabdeckung 146, die eine Kammer 148 definiert, in der ein Phasenänderungsmaterial vorgesehen ist. Der Körper 138 besitzt an einem oberen Ende eine Lippe 150, die in integraler Weise mit dem Körper ausgebildet ist. In der Lippe 150 gebildete Öffnungen 152 nehmen Befestigungselemente auf und sind zu den Öffnungen 154 der Grundplatte 132 ausgerichtet. Ein Kanal 156 zum Aufnehmen eines O-Rings 158 ist ebenso in integraler Weise mit dem Körper 138 an dem unteren Ende gebildet.
Da der Wärmetauscher 130 mit dem Phasenänderungsmaterial gefüllt ist, besitzt die erste Endwand 142 ein Loch 164 zum Bereitstellen eines Zugangs zu der Kammer 148 innerhalb des Körpers 138. Die Eintrittsabdeckung 146 umfasst Öffnungen 166 und einen in integraler Weise ausgebildeten Kanal zur Aufnahme eines O-Rings 168, um ein abdichtendes Eingreifen zu der ersten Endwand 142 zu ermöglichen. Die Eintrittsabdeckung 146 ist mittels Befestigungselementen an der ersten Endwand 142 befestigt.
Wenn die Grundplatte 132 an der Lippe 150 montiert ist, wird eine dichte Verbindung mit dem O-Ring 158, der in dem Kanal 156 positioniert ist, gebildet. Wenn die Öffnungen 154 der Grundplatte 132 zu den Öffnungen 152 in der Lippe 150 ausgerichtet sind, werden Befestigungselemente hindurch gesteckt, um den Diodenarraywärmetauscher 130 zu befestigen.
Um die Diodenarraywärmesenke 64 an der optischen Bank 12 zu befestigen, werden Befestigungselemente von der optischen Bank 12 in die Bohrungen 162 in den Montagesäulen 160 hindurch gesteckt.
Die Diodenarrays 62 berühren die Grundplatte 122 des Wärmetauschers 130 direkt, um Wärme von den Diodenarrays 62 in die Diodenarraywärmesenke 64 thermisch wegzuleiten. Somit wird von den Dioden erzeugte Wärme in die Wärmesenke 64 abgeführt, wo diese schließlich von dem PCM absorbiert wird.
Um das Lasermedium 58 direkt über den Laserdiodenarrays 62 anzuordnen, positionieren Klammem 172 die Lasermediumswärmesenkenanordnung 60 an der Grundplatte 132 des Diodenarraywärmetauschers 130 und halten sie dort fest. Jede Klammer 172 besitzt eine Platte 174 mit einem integral ausgebildeten Flansch 176. Die Platte 174 besitzt zwei Schlitze 178, die zu den Bohrungen 110 in dem Wärmesenkenkörper 92 zum Durchführen von Befestigungselementen ausgerichtet sind. Der Flansch 176 der Klammer 172 besitzt Öffnungen 182 zum Befestigen der Klammer 172 an der Grundplatte 132 des Diodenarraywärmetauschers 13.
Da wünschenswerter Weise das Gewicht des Gesamtsystems reduziert werden soll, wird zusätzliches Material von den diversen Komponenten in jenen Bereichen abgetragen, in denen die strukturelle Stabilität des Systems nicht beeinträchtigt wird. Beispielsweise kann eine Vertiefung 180 in der Platte 174 zum Reduzieren des Gewichts der Einheit gebildet werden.
Das Phasenänderungsmaterial (PCM) 122, das in der Kammer 124 der Lasermediumswärmesenkenanordnung 60 vorgesehen ist, und das PCM 170, das in der Kammer 148 der Diodenarraywärmesenke 64 vorgesehen ist, ändern sich von ihrem festen in den flüssigen Zustand bei einer gewünschten Temperatur in Abhängigkeit von den Anforderungen einer speziellen Anwendung. Das Auswählen eines PCM als ein Arbeitsmedium, das von fest nach flüssig anstatt von flüssig nach gasförmig übergeht, ist vorteilhaft dahingehend, dass das PCM Abwärme durch Leitung abführt, im Gegensatz zu Leitung und Konvektion. Ferner liefert, das PCM eine thermische Steuerung von Elementen, die in thermischer Verbindung mit dem PCM sind. Eine thermische Steuerung wird durch die latente Wärme, die mit der Phasenänderung verknüpft ist, von dem PCM bereitgestellt. Ein PCM in seiner festen Phase absorbiert ständig Energie und verbleibt in seiner "Schmelzphase" bei einer bekannten Temperatur, bis eine spezifizierte Wärmemenge absorbiert ist, um den gesamten Übergang von der festen Phase zur flüssigen Phase abzuschließen. Somit wird ein Element, das in engem Kontakt mit dem PCM ist, das eine Phasenänderung durchläuft, im Wesentlichen bei konstanter Temperatur gehalten, die mit der Schmelztemperatur des PCM übereinstimmt, bis der Phasenübergang abgeschlossen ist.
Die Dauer der Phasenänderung, die mit einer speziellen Menge eines PCM verknüpft ist, beeinflusst die Zeitdauer zum Betreiben des Lasersystems, bevor dieses einen gefährlichen Temperaturbereich erreicht. Das Auswählen eines PCM erfordert die Berücksichtigung anderer Faktoren als die gewünschte Steuerungstemperatur und die Betriebsdauer, die mit der speziellen Laseranwendung und der Ausgestaltung verknüpft ist. Ein Faktor ist die Umgebungstemperatur der Außenwelt, in der das Lasersystem 10 betrieben werden soll. Ein PCM wird ausgewählt, das einen Schmelzpunkt über der maximalen Umgebungstemperatur der Umgebung, in der das Lasersystem 10 sich befindet, liegt, so dass das PCM in seiner festen Phase verbleibt, bevor der Betrieb des Lasersystems beginnt. Die Temperatur liegt vorzugsweise in einem Bereich von -35 bis 55ºC. Zu anderen Faktoren gehören die gewünschte Laserausgangsleistung, die Größe sowohl des Lasermediums als auch des Diodenarrays und die Effizienz der Laserdioden und des Lasermediums, die proportional zur Abwärme ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird Gallium als das PCM als das Arbeitsmedium gewählt. Gallium besitzt einen Schmelzpunkt von 29,8ºC und eine latente Wärme beim Schmelzen von 80 J/g. Der Schmelzpunkt von Gallium entspricht nahezu einer akzeptablen Betriebstemperatur (30ºC) des Nd:YAG-Materials des Lasermediums in der bevorzugten Ausführungsform. Da es für ein PCM möglich ist, bei Raumtemperatur fest zu sein, aber geringfügig über der Raumtemperatur flüssig zu sein, ist das Einfügen des PCM in einen Wärmetauscher einfach ausführbar. Zu anderen möglichen PCM-Materialien gehören Alkylhydrokarbone, Salzhydrate und Tieftemperaturmetalllegierungen (verbindbare Legierungen).
Selbst wenn Gallium sich in der flüssigen Phase befindet, ersetzt es nicht in einfacher Weise Kupfermaterialien, aus denen der Wärmetauscher hergestellt sein kann. Ein Verfahren zum Integrieren des PCM in einen Wärmetauscher beinhaltet das Aufwärmen des Wärmetauschers auf eine Temperatur über der flüssigen Phase des PCM. Dieser Schritt erleichtert es, das PCM in seiner flüssigen Phase zu halten, während es in den Wärmetauscher eingefüllt wird. Der nächste Schritt beinhaltet das Aufwärmen des PCM, bis es schmilzt, um den Transfer des PCM in den Wärmetauscher zu erleichtern. Anschließend wird der Wärmetauscher mit einem hochaktiven organischen Flussmittel, etwa Flux Nr. 4 von Indium Corporation Amerika, Utica, NY, beschichtet, das hilft, dass das PCM die Oberfläche des Wärmetauschers benetzt. Dann wird das PCM in dem Wärmetauscher eingeführt oder eingegossen. Schließlich wird das Flussmittel entfernt. Die beiden letzten Schritte können gleichzeitig ausgeführt werden.
Das Lasersystem 10 wurde getestet mit einem stabförmigen Nd:YAG-Lasermedium 58 mit Abmessungen von 3,1 mm (Dicke) mal 6,2 mm (Breite) mal 83,3 mm (Abstand Ende zu Ende). Der Stab wurde mit einer Gallium gefüllten Wärmesenke mit thermisch leitendem RTV verbunden. Der Lasermediumwärmetauscher 84 mit den Lamellen 88 wurde aus Kupfer hergestellt und die Kammer 124 hatte ein Gallium-PCM-Volumen 0.26 in³.
Sechs Diodenarrays mit jeweils 15 Diodenbalken wurden an die Diodenarraywärmesenke angelötet. Der Diodenarraywärmetauscher wurde ebenso aus Kupfer hergestellt mit sich radial streckenden Lamellen, die einen Halbkreis mit einem Radius von 0.82 umschreiben. Die Kammer 148 der Diodenarraywärmesenke mit dem PCM-Volumen 1.2 in³ wurde mit Gallium gefüllt.
In Fig. 8 ist ein Diagramm der Ausgangsleistung des Lasersystems 10 gegenüber der Zeit gezeigt, wenn das System mit einem elektrischen Eingangsstrom von 45 A, einer Wiederholungsrate von 500 Hz, einer Strompulsbreite von 200 usek. und unter den physikalischen Bedingungen, die in den vorhergehenden Paragraphen beschrieben sind, betrieben wurde. Für eine maximale Energieabgabe von ungefähr 60 mJ, betrug die maximale Laserausgangsleistung 30 W bei 1064 nm Energie. Die entsprechende Wärmebelastung, die von dem Stab erzeugt wurde, wurde auf 83 W berechnet, und die Wärmebelastung, die von den Diodenarrays erzeugt wurde, wurde mit 520 W berechnet. Wenn die Ausgangsleistung des Gesamtsystems von weniger als 30 W gewünscht wird, verringert sich die Zeit des temperaturgesteuerten Betriebs des Stabes und der Arrays entsprechend.
In Fig. 9 ist ein Diagramm der Ausgangsleistung gegenüber der Zeit für Testläufe mit Spitzeneingangsströmen von 45, 50, 55 und 60 A, einer 250 usek. Pulsbreite und einer Wiederholungsrate von 500 Hz, aber unter anderen physikalischen Bedingungen, wie sie zuvor beschrieben sind, gezeigt. Zu den physikalischen Bedingungen gehörten lediglich ein Dio denteilarray, im Gegensatz zu den sechs Arrays wie sie oben beschrieben sind. Ferner wurde ein geringfügig größerer Diodenarraywärmeaustauscher verwendet. Der Wärmeaustauscher besaß die zweifache effektive Querschnittsfläche für die Wärmeabfuhr und die Lamellen bilden einen Halbkreis mit einem Radius von 1.16 in anstatt dem zuvor beschriebenen 0.82 in. Da das Maß an Wärmeabfuhr direkt proportional zur effektiven Querschnittsfläche ist, kann das Maß an Wärmeabfuhr einfach berechnet werden, wenn mehr Diodenteilarrays hinzu gefügt werden. Als eine Richtgröße gilt, dass bei 60 A die Abwärme der Diodenarrays ungefähr 140 W beträgt.
Aluminiumdotierte Galliumarsenid (AlGaAs)dioden ändern ihre Wellenlänge um einen Nanometer bei einer Temperaturänderung von ungefähr 4ºC. Beispielsweise wurde über eine Zeitdauer von ungefähr 60 Sekunden bei einem Eingangstrom von 60 A die entsprechende Temperaturänderung von ungefähr 32ºC gemessen (814 nm bis 806 nm). Bei einem Eingangsstrom von 60 A und nach ungefähr 3 Sekunden blieb allerdings die Wellenlänge relativ stabil für ungefähr 50 Sekunden (809 nm bis ungefähr 812 nm). Diese Abflachen der Kurve hängt mit der latenten Wärme des Schmelzens des Galliums zusammen. Nach ungefähr 55 Sekunden zeigt die Rate der Änderung der Wellenlänge einen Anstieg. Diese Änderung entspricht dem Zeitpunkt, wenn das Gallium vollständig geschmolzen ist, und nach dem sich das. Gallium als eine normale überhitzte Flüssigkeit verhält.
Zusätzlich wurden Stressuntersuchungen zur Verifizierung der Lebensdauer des Lasermediumsstabs bei unterschiedlichen Wärmebelastungspegeln durchgeführt. Für diese Untersuchungen wurde der Stab mit dem thermisch leitenden RTV an einer Gallium gefüllten Diodenarraywärmesenkenanordnung 64 mit einem PCM-Volumen von 0.26 in³ angebracht. Es wurden diverse Wärmebelastungspegel angewendet und es wurde keine Beschädigung des Stabes bei einer Eingangsleistung von 55 A, 250 usek. Pulsbreite, Wiederholungsrate von 500 Hz und einer Laufzeit von 20 Sekunden festgestellt.
Es sollte beachtet werden, dass nach dem Betrieb des Systems, dieses zu seinem Ausgangspunkt vor dem Betrieb zurückkehrt, da sich das Gallium-Phasenänderungsmaterial schließlich wieder verfestigt. Wenn das Lasersystem 10 wieder an seinem Ausgangspunkt ist, kann es erneut betrieben werden.
Um die Verfestigung des PCM zu beschleunigen und die Verzögerung für das erneute Betreiben der Laserdiodenarrayanordnung zu reduzieren, kann das PCM in einer alternativen Ausführungsform in thermischen Kontakt mit einem Sekundärwärmetauscher, der ein aktives Kühlen anwendet, gebracht werden. Diese alternative Ausführungsform ist im Wesentlichen in den Fig. 10 bis 13 dargestellt und wird nunmehr beschrieben.
In Fig. 10 umfasst ein Laserdiodenarrayanordnung 210 ein Laserdiodenarray 214, eine Wärmesenkenanordnung 216 und einen Wärmetauscher 218. Der Einfachheit halber werden die Wärmesenkenanordnung 216 und der Wärmetauscher 218 als ein Zweistufentemperatursteuerungssystem 220 bezeichnet. Die Wärmesenkenanordnung 216 enthält ein PCM 222, das in thermischer Verbindung mit einem aktiven Wärmetauscher 218 mit einem Arbeitsfluid 224 steht. Die Wärmesenkenanordnung 216 umfasst eine Grundplatte 226 und mehrere Lamellen 228. Wie gezeigt sind die Lamellen 228 verzweigt und erstrecken sich radial von der Grundplatte 226 entlang einer Länge, die vorzugsweise solang ist wie das Laserdiodenarray 214. Die ausgedehnten Oberflächen 330 können eine Vielzahl von Formen aufweisen und sind nicht auf die radial verzweigten Lamellen 228, die in Fig. 10 gezeigt sind, beschränkt. Zu anderen Variationen gehören Röhrenlamellen, stachelartige Erhebungen, Rillen, Plattenlamellen anderer Formen, Plattenprallblechstrukturen, innere Lamellen-Röhren-Strukturen und eine Hüllen- und Röhren-Struktur.
Der aktive Wärmetauscher 218 umfasst eine Kontaktplatte 232 und mehrere Lamellen 234. Die Lamellen 234 erstrecken sich von der Kontaktplatte 232 vorzugsweise entlang einer Länge, die mindestens so lang ist wie die des Laserdiodenarrays 214 nach außen. Die ausgedehnten Oberflächen 236 können eine Vielzahl von Formen aufweisen und sind nicht auf die radial verzweigten Lamellen 234 beschränkt, die in Fig. 10 gezeigt sind. Zu anderen Lamellen Variationen für den Wärmetauscher gehören Röhrenlamellen, stachelartige Erhebungen, Rillen, Plattenlamellen anderer Formen, Plattenabschirmstrukturen, innere Lamellen-Röhren-Strukturen und eine Hülle- und Röhren-Struktur.
Die Kontaktplatte 232 ähnelt sehr der Form, die im Wesentlichen durch den äußeren Rand der Lamellen 228 der Wärmesenkenanordnung 216 definiert ist. Bevor die Kontaktplatte 232 positioniert wird, kann eine Rückhalteplatte 338 verwendet werden, um die Wärmesenkenanordnung 216 zu umschließen und im Wesentlichen eine erste Kammer 240 zu definieren, in der das PCM 222 vorgesehen ist. Alternativ könnte ohne eine Rückhalteplatte 238 die Kontaktplatte 232 alleine dazu dienen, die Lamellen 228 zu umschließen und im Wesentlichen eine erste Kammer 240, in der das PCM 222 vorgesehen ist, zu definieren. Eine Schicht aus Indiumfolie kann über die Rückhalteplatte 238 gelegt und auf diese aufgedrückt werden, um den thermischen Widerstand an der Grenzfläche zwischen der Rückhalteplatte 238 und der Kontaktplatte 232 zu verringern.
Eine zweite Kammer 242, durch die das Arbeitsfluid 224 strömt, wird im Wesentlichen durch eine Wärmetauscherabdeckung 244, die die Lamellen 234 umschließt, definiert. Die Abdeckung 244 und der Wärmetauscher 218 sind fest mit der Grundplatte 226 durch Durchführen von Befestigungselementen 246 in Öffnungen 248 der Grundplatte 226 befestigt, so dass alle Komponenten im Eingriff sind. Die zweite Kammer 242 ist mit einem Einlass und einem Auslass für den Austausch des Arbeitsfluids 224 versehen. Das Arbeitsfluid 224, das ein beliebiges Fluid, etwa Luft, Wasser, oder ein Fluorkohlenstoffkühlmittel sein kann, strömt durch die zweite Kammer 242, um die Abwärme aus dem PCM 222 der Wärmesenkenanordnung 216 aufzunehmen. Ferner kann das PCM 222 durch natürliche Konvektion von Luft in dem Wärmetauscher 218 gekühlt werden. In einer weiteren Alternative kann ein Expansionsbehälter, in dem sich ein Gas von seinem komprimierten Zustand ausdehnt, angewendet werden, um den Wärmetauscher 218 zu kühlen.
Fig. 11 zeigt die Laserdiodenarrayanordnung 210 mit einem alternativen Zweistufentemperatursteuerungssystem 249, das mittels einer elektrostatischen Entladungsbearbeitung (EDM) hergestellt ist. Das Zweistufentemperatursteuerungssystem 249 umfasst einen ersten Satz an Kavitäten zum Aufnehmen des PCM und einen zweiten Satz untereinander verbundener Kavitäten 252 zum Aufnehmen des Arbeitsfluids 224. Beide Sätze von Kavitäten 250, 252 sind in dem gleichen Metallblock (z. B. Messing oder Kupfer) so gebildet, dass die Kavitäten 252 mit dem Arbeitsfluid 224 zwischen den Kavitäten 250 mit PCM angeordnet sind. Vorzugsweise sind die PCM-Kavitäten 250 in der Nähe der wärme erzeugenden Komponente angeordnet, etwa dem Laserdiodenarray 214, im Vergleich zu den Kavitäten 252 mit dem Arbeitsfluid. Obwohl längliche und sich radial erstreckende Kavitäten 250, 252 in Fig. 11 dargestellt sind, können die Kavitäten 250, 252 eine beliebige Form, Länge und Anordnung zwischen den anderen Kavitäten für einen effektiven Wärmetransfer aufweisen.
Die Laserdiodenarrayanordnung 210 mit einer noch weiteren Ausführungsform des zweistufigen Temperatursteuerungssystems 253, das durch EDM gebildet ist, ist in Fig. 12 gezeigt.
Das Zweistufentemperatursteuerungssystem 253 umfasst einen ersten Satz an PCM- Kavitäten 254, die im Verhältnis zu einem zweiten Satz an Kavitäten 256 mit dem Arbeitsfluid relativ nahe an dem Diodenarray 214 angeordnet sind. In dieser Ausführungsform sind alle PCM-Kavitäten 254 benachbart zueinander und alle Kavitäten 256 mil Arbeitsfluid sind benachbart zueinander angeordnet. Obwohl längliche und sich radial erstreckende Kavitäten 254, 256 in Fig. 12 gezeigt sind, können die Kavitäten 254, 256 eine beliebige Form, Länge und Konfiguration für einen effektiven Wärmetransfer ausweisen.
Obwohl die in den Fig. 10 bis 12 dargestellten Ausführungsformen Zweistufensteuerungssysteme 220, 249, 253 zeigen, die zum Kühlen eines Diodenarrays 214 verwendet sind, kann das Zweistufentemperatursteuerungssystem 220 zum Kühlen einer beliebigen wärmeerzeugenden Komponente in dem Lasersystem verwendet werden. Zu diesen Komponenten gehören das Lasermedium (z. B. Nd:YAG), Stahlabsorptionsbereiche, akustischoptische Schalter und nicht lineare Kristalle.
In Fig. 13 ist ein Lasermedium 258 in thermischer Verbindung mit einem ersten Zweistufentemperatursteuerungssystem 260 und einem Diodenarray 262 in thermischer Verbindung mit einem zweiten Zweistufentemperatursteuerungssystem 264 dargestellt. Ein Fluidkreislauf 266, der schematisch in Fig. 13 gezeigt ist, ist mit den Systemen 260, 264 verbunden. Das erste und das zweite Zweistufentemperatursteuerungssystem 260 und 264 enthalten entsprechende Erst-Stufenelemente 268, 269 mit PCM und entsprechende Zweit- Stufenelemente 270, 271, in denen das Arbeitsfluid zur aktiven Kühlung angewendet wird. Die Erststufenelemente 268, 269 des ersten und des zweiten Zweistufentemperatursteuerungssystems 260, 264 sind in der Nähe des Lasermediums 268 bzw. des Diodenarrays 262 im Vergleich zu den Zweitstufenelementen 270, 271 angeordnet. Die Zweitstufenelemente 270, 271 besitzen Einlasse 272, 273 und Auslasse 274, 275 zum Zirkulieren des Arbeitsfluids und zum Abführen von Abwärme. Die Erststufenelemente 268, 269 und die Zweitstufenelemente 270, 271 können eine beliebige Konfiguration aufweisen, wie dies zuvor mit Bezug zu den Fig. 10 bis 12 beschrieben ist. Alternativ können die Erststufenelemente 268, 269 des ersten und des zweiten Zweistufentemperatursteuerungssystems 260, 264 ähnlich zu der Lasermediumswärmesenkenanordnung 82 bzw. der Diodenarraywärmesenkenanordnung 64 sein, die zuvor mit Bezug zu den Fig. 4 bis 7 beschrieben sind.
Obwohl jedes der Zweitstufenelemente 270, 271 mit einem separaten Fluidkreislauf verbunden sein kann, zeigt Fig. 13 schematisch einen einzelnen Fluidkreislauf 266 mit einem Ventil 276, einer Pumpe 278 und einen Wärmetauscher 280 zur Verwendung mit beiden Zweitstufenelementen 270, 271. Der Fluidkreislauf 266 ermöglicht es, dass ein Arbeitsfluid, entweder eine Flüssigkeit oder ein Gas, durch jedes Zweitstufenelement 270, 271 hindurchgeleitet werden kann, um somit die Temperatur der Zweitstufenelemente 270, 271 zu steuern. Dies steuert den Fluss an Wärmeenergie zwischen den Erststufenelementen 268, 269 und den Zweitstufenelementen 270, 271. Die Temperatur der Zweitstufenelemente 270, 271 kann durch den Kreislauf 266 gesteuert werden, indem die Durchflussrate des Fluids durch den Kreislauf 266 mittels des Ventils 276 oder Pumpe 278, die Einlasstemperatur des Fluids zu den Zweitstufenelementen 270, 271, die Lamellenstruktur und die physikalischen Eigenschaften des Fluids kontrolliert werden.
Durch Steuern der Temperatur der Zweitstufenelemente 270, 271 kann die Temperatur des PCM, das in den Erststufenelementen 268, 269 enthalten ist, auf der Schmelzphasentemperatur gehalten werden. Die Auswahl eines PCM mit einer Schmelztemperatur, die ungefähr der Betriebstemperatur der Laserkomponente entspricht, ergibt eine gute Steuerung der Temperatur der Laserkomponente. Vorzugsweise liegt die Schmelztemperatur des PCM innerhalb von ungefähr 5ºC der Betriebstemperatur der Laserkomponente.
Wenn femer die Laserkomponente auf höherem Niveau zeitweise betrieben werden soll, wodurch zusätzliche Abwärme erzeugt wird, hält das System die Laserkomponente bei ihrer günstigen Temperatur. Dies ist insbesondere nützlich, wenn die Temperatur des Arbeitsfluids auf eine konstante Temperatur festgelegt ist. In diesem Falle bewirkt die zusätzliche Abwärme ein Schmelzen des PCM, wobei dennoch die Temperatur der wärmesenkenden Grundplatte auf nahezu der gleichen Temperatur gehalten wird. Folglich wird die Laserkomponente auf der gleichen Temperatur gehalten. Wenn in ähnlicher Weise die Laserkomponente zeitweilig auf kleinerem Leistungsniveau betrieben wird, wodurch wenig Abwärme erzeugt wird, wird weniger PCM geschmolzen. Somit kann die Wärmesenke mit dem PCM als ein Wärmepuffer betrachtet werden, der es ermöglicht, Leistungspegel zu erhöhen oder zu verringern, ohne dass eine Temperaturänderung der Laserkomponente erfolgt. Somit ist im Wesentlichen die Notwendigkeit für eine elektronische Rückkopplungsschleife zur thermischen Steuerung der Laserkomponente vermieden, da die thermische Steuerung durch die latente Wärme des PCM geliefert wird.
Das PCM liefert ferner eine thermische Steuerung der Laserkomponente, wenn die Temperatur des Arbeitsfluids schwankt. Wenn das Arbeitsfluid die Umgebungsluft ist und das System ohne eine PCM-Wärmesenke betrieben wird, würde die Temperatur der Laserkomponente im Wesentlichen um einen Betrag, der gleich der Änderung in der Umgebungstemperatur ist, ansteigen oder absinken. Ein System mit einer Wärmesenkenanordnung mit einem PCM wird jedoch in besserer Weise die Laserkomponente bei ihrer Betriebstemperatur halten, wenn die Temperatur der Umgebungsluft schwankt. Wenn beispielsweise eine Wärmesenke mit Gallium verwendet wird (d. h. die Schmelztemperatur beträgt ungefähr 30ºC) und die Umgebungsluft durch den Wärmetauscher zwischen ungefähr 20ºC und 30ºC schwankt, so kann eine temperaturempfindliche Laserkomponente, die mit der Wärmesenke in Kontakt ist, dennoch bei einer relativ konstanten Temperatur (z. B. ungefähr 35ºC bis 40ºC) betrieben werden.
In Fig. 14 ist ein thermoelektrischer Kühler (TEC) 282 von der Art gezeigt, wie er von Marlow Industries, Inc., Dallas, Texas hergestellt wird, und der zwischen einem aktiven Wärmetauscher 284 und der Wärmesenkenanordnung 286 mit dem PCM 287, das in thermischen Kontakt ist mit dem Laserdiodenarray 214, angeordnet ist, gezeigt. Der TEC 282 ist an der Wärmesenkenanordnung 286 und dem aktiven Wärmetauscher 284 mittels Lötung, Epoxydharz oder einem Kompressionsverfahren unter Anwendung von Befestigungselementen montiert. Wie gezeigt ist die Wärmesenkenanordnung 286 fest mit dem Wärmetauscher 284 verbunden, indem Befestigungselemente 288 in die Öffnungen 290 eingeführt sind, um mit den Komponenten im Eingriff zu sein. Somit nimmt der Wärmetauscher 284 die Wärme aus der Wärmesenkenanordnung 286 auf, die der thermoelektrische Kühler 282 von seiner Kühlseite auf seine heiße Seite pumpt, sowie die Abwärme aus dem thermoelektrischen Kühler 282 selbst. Der Wärmetauscher 284 gibt dann diese Wärme an ein Arbeitsfluid, das durch ihn hin durchströmt, ab.
Der TEC 282 ist eine Festkörperwärmepumpe, die entsprechend dem Peltier-Effekt arbeitet. Ein typischer TEC 282 besteht aus einem Array aus Halbleiterelementen 292, die als zwei ungleiche Leiter dienen, die eine Temperaturdifferenz erzeugen, wenn eine Spannung an ihren freien Enden angelegt wird. Das Array aus Halbleiterelementen 292 ist zwischen Keramikplatten 294 elektrisch in Reihe und thermisch parallel verschaltet angelötet. Wenn ein Strom durch die Elemente fließt, ergibt es einen Temperaturabfall an der kalten Seite 296, wodurch die Absorption der Wärme aus der Umgebung bewirkt wird. Die durch den Kühler mittels. Elektronentransport abgeführte Wärme wird auf der gegenüberliegenden Seite 298 durch Elektronenbewegung von einem höheren zu einem niedrigeren Energiezustand freigesetzt. Um den PEC 282 zu kühlen, ist der aktive Wärmetauscher 284 benachbart zu der "heißen Seite" 298 des PEC 282 zum Abtransport der abgegebenen Wärme angeordnet.
Der TEC 282, der mit der Wärmesenkenanordnung 286 in thermischen Kontakt ist, kann dazu dienen. Wärme von der Wärmesenkenanordnung 286 abzuziehen und die flüssige Phase des PCM 287 zu verfestigen, so dass die Laserdiodenarrayanordnung 280 ohne große Verzögerung ohne Überhitzung arbeiten kann. Beispielsweise ist diese Ausführungsform besonders in Situationen nützlich, in denen die Umgebungstemperatur der Laserdiodenarrayanordnung 210 höher als die Schmelztemperatur des PCM 287 ist. Der TEC 282, der die Wärmesenkenanordnung 286 kühlt, verfestigt das PCM 287, um somit die Laserkomponente vor einer Überhitzung zu schützen. Ferner kann durch Umkehr des durch den TEC 282 fließenden Stromes dieser dazu dienen, um die Temperatur des PCM 287 für die thermische Steuerung anderer Systemkomponenten, die erhöhte Temperaturen erfordern, zu erhöhen.
Insbesondere in Fig. 15 ist eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt, wobei der TEC 282 zwischen dem Laserdiodenarray 214 und einer PCM gefüllten Wärmesenkenanordnung 286 angeordnet ist. Der TEC 282, der in thermischen Kontakt mit der Wärmesenkenanordnung 286 und dem Laserdiodenarray 214 oder einer anderen wärmeerzeugenden Systemkomponente steht, ist an dem Laserdiodenarray 214 und der Wärmesenkenanordnung 286 mittels Lötung, Epoxydharz oder einem Kompressionsverfahren unter Verwendung von Befestigungselementen montiert. In dieser Ausführungsform läuft die von dem Laserdiodenarray 214 oder einer anderen wärmeerzeugenden Komponente ausgesandte Wärme durch den TEC 282 und wird in die PCM gefüllte Wärmesenkenanordnung 286 abgegeben. Wenn die Kühlanforderungen der Systemkomponente vorgegeben sind und die maximale Wärmebelastung, die von dem TEC 282 aufzunehmen ist, berechnet ist, kann das geeignete PCM 299 mit geeigneten Phasenänderungstemperatur ausgewählt werden, um in effizienter Weise das System ohne unnötige thermische Verformung einer der Komponenten zu betreiben.
Wie zuvor erläutert ist, werden in nicht linearen optischen (NLO) Kristallanordnungen für die Umwandlung einer ersten Wellenlänge in eine zweite Wellenlänge typischer Weise Temperatursteuerurgssysteme für die exakte Steuerung dieser temperaturempfindlidien Kristalle angewendet. Eine Ausführungsform für die thermische Steuerung von NLO-Kristallen 300, etwa Kaliumtitanylphosphat (KTP) und Lithiumtriborat, ist in Fig. 16 gezeigt. Eine PCM- gefüllte Wärmesenkenanordnung 302 ist zwischen einem Heizer 304 und dem NLO-Kristall 300 angeordnet, der mittels Befestigungselementen 306 an der optischen Bank 12 montiert ist. Der NLO-Kristall 300 wird auf einer idealen Temperatur mittels der Wärmeübertragung von der benachbarten Wärmesenkenanordnung 302, die mit einem PCM 307 gefüllt ist, das eine Phasenänderungstemperatur aufweist, die im Wesentlichen mit der idealen Kristalltemperatur übereinstimmt (beispielsweise innerhalb von 5ºC oder weniger), gehalten. Die Wärmesenkenanordnung 302 wird von dem Heizer 304 geheizt, um das PCM 307 in seiner Schmelzphase zu halten, so dass der NLO-Kristall 300, der in engem Kontakt mit dem PCM 307 ist, auf einer im Wesentlichen konstanten Temperatur gehalten wird, die mit der Schmelztemperatur des PCM 307 übereinstimmt. In Fig. 17 ist ein Laserdiodenarray 214 gezeigt, das in thermischen Kontakt mit einer Wärmesenkenanordnung 308 ist, die mehrere Kavitäten 31 D aufweist, die mit zwei Typen von PCM 312, 314 gefüllt sind, die jeweils zwei unterschiedliche Schmelztemperaturen zeigen. Vorzugsweise wird ein PCM 312 mit einer höheren Schmelztemperatur in den Kavitäten 310 aufbewahrt, die näher an dem wärmeerzeugenden Gerät im Vergleich zu den Kavitäten 310, die mit einem PCM 314 mit einer geringeren Schmelztemperatur gefüllt sind, angeordnet. Die PCM gefüllten Kavitäten 310, die in der Nähe der wärmeerzeugenden Komponente liegen, dienen dazu, um diese passiv zu kühlen, während jene Kavitäten, die weiter von der wärmeerzeugenden Komponente entfernt sind, als eine Sekundärwärmesenke für das System dienen. Das PCM 314 mit der geringeren Temperatur wird so gewählt, um das PCM 312 mit der höheren Temperatur im Wesentlichen in seiner Schmelzphase auf der Grundlage der Wärmebelastung durch das Laserdiodenarray zu halten. Obwohl zwei unterschiedliche Sätze an PCM gefüllten und EDM-hergestellten Kavitäten 310 in Fig. 17 gezeigt sind, können mehr als zwei Arten von PCM verwendet werden, um den Temperaturgradienten entlag der Länge und der Breite der wärmeerzeugenden Komponente gezielt zu steuern. Ferner sind EDM und Nicht-EDM- Kavitäten diverser Formen, Größen und Konfigurationen möglich. Diese duale PCM- Konfiguration kann in den Wärmesenken der zuvor beschriebenen Systeme verwendet werden.
Jede dieser Ausführungsformen und offensichtliche Variationen davon sind als innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung liegend zu betrachten, die in den folgenden Patentansprüchen dargestellt ist.

Claims

1. Passiv gekühlte Laseranordnung mit:

mindestens einer Laserdiode (68) zum Aufnehmen elektrischer Energie und zum Umwandeln der elektrischen Energie in optische Energie und Wärme;

einem Festkörperlasermedium (58) zum Aufnehmen der optischen Energie von der Laserdiode zum Umwandeln der optischen Energie in Ausgangsenergie;

dadurch gekennzeichnet, dass

eine Wärmesenke (60, 74) direkt mit dem Festkörperlasermedium und/oder der Laserdiode gekoppelt ist, um die Wärme aufzunehmen, wobei die Wärmesenke ein Phasenänderungsmaterial (PCM; 122, 222) darin aufweist, das sich von fester Form in flüssige Form in Reaktion auf die in der Wärmesenke aufgenommene Wärme ändert; und

ein Wärmetauscher (218) in integraler Weise mit der Wärmesenke gekoppelt ist, wobei die Wärmesenke Wärme mit einem Arbeitsfluid (224) austauscht, das durch den Wärmetauscher strömt, um das Lasermedium oder die Laserdiode innerhalb eines Soll-Betriebstemperaturbereichs zu halten, während eine Temperatur des Arbeitsfluids schwankt.

2. Die passiv gekühlte Laseranordnung nach Anspruch 1, wobei das Phasenänderungsmaterial (PCM) Gallium ist.

3. Die passiv gekühlte Laseranordnung nach Anspruch 2, wobei sich das Phasenänderungsmaterial von der festen Form in die flüssige Form bei einer Temperatur über der maximalen Umgebungstemperatur des Lasersystems, wenn dieses nicht in Betrieb ist, ändert.

4. Die passiv gekühlte Laseranordnung nach Anspruch 1, wobei die Wärmesenke eine Grundplatte (86) mit mehreren Oberflächen (88) aufweist, die sich von der Grundplatte aus hervor erstrecken, um dazwischen Zwischenräume (126) zu bilden, wobei das Phasenänderungsmaterial (122, 222) mit den sich hervorstreckenden Oberflächen in Kontakt ist.

5. Die passiv gekühlte Laseranordnung nach Anspruch 4, wobei die Wärmesenke (60, 64) ferner ein Mittel (90, 130) aufweist, um das Phasenänderungsmaterial (122, 222) um die sich heraus erstreckenden Oberflächen herum angeordnet zu halten.

6. Die passiv gekühlte Laseranordnung nach Anspruch 5, wobei das Haltemittel eine Hülle (138) aufweist, die mit der Grundplatte im Eingriff ist und die die sich hervor erstreckenden Oberflächen so umschließt, um eine Kammer (148) zu bilden.

7. Die passiv gekühlte Laseranordnung nach Anspruch 6, wobei die mehreren Oberflächen (88) sich radial von der Grundplatte (132) aus erstrecken.

8. Die passiv gekühlte Laseranordnung nach Anspruch 1, wobei die Anordnung eine zweite Wärmesenke mit einem Phasenänderungsmaterial für entweder das Lasermedium (58) oder die Laserdiode (68) aufweist, so dass beide durch ein Phasenänderungsmaterial (122, 222) gekühlt werden.

9. Die passiv gekühlte Laseranordnung nach Anspruch 1, wobei der Wärmetauscher (128), der in integraler Weise mit der Wärmesenke (60, 64) gekoppelt ist, Wärme mit dem Arbeitsfluid (224) mittels natürlicher Konvektion austauscht.

10. Die passiv gekühlte Laseranordnung nach Anspruch 1, wobei der Wärmetauscher in integraler Weise mit der Wärmesenke so gebildet ist, dass ein einzelnes Material Hohlräume (250, 254) der Wärmesenke zur Aufnahme des Phasenänderungsmaterials und weitere Hohlräume (252, 256) des Wärmetauschers zur Aufnahme des Arbeitsfluids aufweist.

11. Die passiv gekühlte Laseranordnung nach Anspruch 7, wobei die Hohlräume in dem einzelnen Material in einem oberen Bereich in der Nähe der zumindest einen Laserdiode und in einem unteren Bereich gegenüberliegend dem oberen Bereich angeordnet sind, wobei das Phasenänderungsmaterial in den Hohlräumen (254) des oberen Bereichs angeordnet ist, und wobei die Hohlräume (256) des unteren Bereichs ein Teil des Wärmetauschers sind.

12. Die passiv gekühlte Laseranordnung nach Anspruch 1, wobei die Wärmesenke im Vergleich zu dem Wärmetauscher (218) in der Nähe des Lasermediums (58) ist.

13. Die passiv gekühlte Laseranordnung nach Anspruch 1, wobei die Wärmesenke mehrere PCM-Hohlräume zur Aufnahme des Phasenänderungsmaterials (122, 222) definiert, wobei der Wärmetauscher mehrere Arbeitsfluid-Hohlräume zur Aufnahme des Arbeitsfluids definiert, und wobei die PCM-Hohlräume im Vergleich zu den Arbeitsfluidhohlräumen in der Nähe der Laserdiode (68) und/oder des Lasermediums (58) angeordnet sind.

14. Die passiv gekühlte Laseranordnung nach Anspruch 1, wobei das Phasenänderungsmaterial ein erstes und ein zweites Phasenänderungsmaterial mit unterschiedlichen Schmelztemperaturen aufweist.

15. Die passiv gekühlte Laseranordnung nach Anspruch 1, wobei das Phasenänderungsmaterial eines aus der folgenden Gruppe ist: Gallium, Alkylhydrokarbon, Salzhydrat und metallische Niedrigtemperaturlegierungen.

16. Die passiv gekühlte Laseranordnung nach Anspruch 1, wobei die Laserdiode (68) und/oder das Lasermedium (58) eine Betriebstemperatur aufweisen, und wobei das Phasenänderungsmaterial sich von fester in die flüssige Form bei einer Temperatur innerhalb von ca. 5ºC der Betriebstemperatur ändert.